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Verfahren zur Ermittlung der Verformungsfähigkeit verformungsfähiger
Werkstoffe mittels unter Zugbelastung gesetzter flacher Probestreifen rechteckigen
Querschnittes Es ist bereits eine Anzahl von Verfahren zur Prüfung der Verformungsfähigkeit
von Werkstoffen, insbesondere von Blechen, bekanntgeworden. Diese Verfahren besitzen
fast ausschließlich den Nachteil der Einseitigkeit und liefern deshalb vielfach
nicht befriedigende Ergebnisse. Aus den Prüfergebnissen kann man meist nur auf die
eine oder andere Art der Verformungsmöglichkeit des betreffenden Werkstoffes schließen,
z. B. bei der bekannten Erichsen-Probe, die infolge der festen Randeinspannung nur
ein Recken des Werkstoffes zuläßt, auf die Reckfähigkeit.
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Das Ergebnis wird aber ungenau, weil der Einfluß der Reibung des Werkstoffes
auf dem Reckstempel nicht erfaßtwerden kann. Immerhin lassen sich auf diese Weise
Rückschlüsse auf die Reckfähigkeit des Werkstoffes gewinnen.
Desgleichen
ergibt die sogenannte Näpfchenprobe nach Schuler-Fischer, bei welcher ein Probestück
in Napfform gebracht wird, Aufschluß hinsichtlich der Tiefziehfähigkeit.
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Um beurteilen zu können, wieweit ein Werkstoff für die verschiedenen
Arten der Verformungsmöglichkeit, wie Abkanten, Tiefziehen, Streckziehen, Gummiziehen,
Formstanzen usw., geeignet ist, ergibt sich die Notwendigkeit, die einzelnen Prüfverfahren
nacheinander anzuwenden. Da jede Probe, um Durchschnittswerte zu gewinnen, mindestens
dreimal wiederholt werden muß, ist diese Art der Eignungsprüfung so teuer und zeitraubend,
daß in der Praxis darauf oft verzichtet werden muß. Außerdem weichen die Prüfwerte
vielfach von den in-der Praxis sich ergebenden ab, was damit erklärt werden kann,
daß bei den einzelnen Proben immer nur eine ganz bestimmte Beanspruchungsart an
einem noch nicht vorbeanspruchten Stück des Werkstoffes geprüft wird, während bei
der Stoffbeanspruchung in der Praxis verschiedene Beanspruchungsarten zu gleicher
Zeit oder auch kurz hintereinander auf den Werkstoff einwirken, so daß im Augenblick
des Angreifens der geprüften Beanspruchungsart bereits eine Änderung der Widerstandsverhältnisse,
vielleicht sogar eine Strukturänderung des Werkstoffes eingetreten ist. Um die in
der Praxis auftretenden Verhältnisse möglichst auf die Prüfung zu übertragen, ist
man teilweise dazu übergegangen, die Probestreifen aus bereits vorgeprüftem Werkstoff
zu entnehmen.
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Aus alledem geht hervor, daß die Praxis seit langem nach einem Verfahren
sucht, mit dem in einfacher Weise die in Betracht kommenden B eansp ruchungsmöglichkeiten
auf einmal in einem Arbeitsgang ermittelt werden können. Ein derartiges Verfahren
ist durch die vorliegende Erfindung gegeben, welche aus eingehender Beobachtung
der beim Verformen auftretenden Stoffbeanspruchungen entstanden ist.
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Eine häufig vorkommende Art der Blechverformung ist das Abkanten,
d. h. das möglichst scharfkantige Biegen eines Blechstreifens von einer Ebenenrichtung
in die andere (Abb. I). Hierbei ergeben sich zwei Hauptbeanspruchungen des Werkstoffes
an der Biegestelle, die zonenweise beiderseits einer neutralen Faser auftreten,
nämlich durch Stauchen und durch Strecken. Die Streckfähigkeit ist bestimmend für
den Biegungsradius, um den das Abkanten erfolgen darf.
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Beim Streckziehen (Abb-. 2) und beim Gummiziehen (Abb. 3) wird der
Werkstoff am Rand oder an den Enden fest eingespannt.
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Die Verformung erfolgt durch Strecken des Werkstoffes, und zwar beim
Gummiziehen (Abb. 3), bei dem ein unter Druck stehender nachgiebiger Verformungskörper,
z. B.
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Gummi, gleichmäßig auf den Werkstoff wirkt, unter günstigeren Verhältnissen
als bei Abb. 2, wo der Fließvorgang des Werkstoffes gestört wird durch die Reibung
auf dem Ziehstempel. In beiden Fällen wird der Werkstoff hauptsächlich auf Reckung
beansprucht.
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Beim Tiefziehen (Abb. 4) wird der Werkstoff durch den Niederhalter
(Faltenhalter) so weit eingespannt, daß er beim Tiefziehen nachwandern kann. Der
Werkstoff wird also bis zu einem gewissen Grad gestaucht und im übrigen gestreckt.
Die Beanspruchung ist demnach eine wesentlich andere als beim Streckziehen.
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Bei der Verformung von Leichtmetallblechen, die z. B. beim Flugzeugbau
im großen Umfang angewendet wird, treten die einfachen Beanspruchungen, Dehnen und
Stauchen, in sehr verschiedenem Verhältnis auf.
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Daraus ist ersichtlich, daß die handelsüblichen Angaben über Festigkeit,
Streckgrenze, Dehnung usw. noch keinen Anhaltspunkt ergeben, ob der Werkstoff-für
bestimmte Verformungsarten geeignet ist. Letzteres muß erst durch Versuch ermittelt
werden.
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Bei der Blechverformung durch Ziehen ergeben sich also zwei Hauptbeanspruchungsarten:
a) reines Recken des Werkstoffes, b) Recken und Stauchen in einem Arbeitsgang, abhängig
vom Verformungsverfahren und von der Form des Werkstückes.
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Demnach hat sich die Prüfung in erster Linie auf die Ermittlung der
Dehnungsfähigkeit des Werkstoffes und auf die Stauchdehnungsfähigkeit zu erstrecken,
und zwar auf das Verhalten beim Einzelzug und beim gleichfalls häufig vorkommenden
Mehrfachzug. Hierbei ist als bekannt vorausgesetzt, daß sich die Eigenschaften der
Werkstoffe beim Einfachzug vielfach anders verhalten als beim Mehrfachzug. Gemäß
der Erfindung ist es möglich, sämtliche für die praktische Auswertung notwendigen
Ermittlungen an einem Probestab zu machen.
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In Abb. 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Probestabes
vor der Prüfung und in Abb. 6 nach der Prüfung dargestellt.
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Der Probestreifen ist in Zonen eingeteilt.
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Die Zahl der Zonen entspricht der Zahl der zu prüfenden Beanspruchungsarten.
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Zonen entspricht in ihren Abmessungen dem bekannten Zerreißstreifen.
Sie besitzt zweckmäßig prismatischen Querschnitt.
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Zone 2 hat gleichfalls vorteilhaft prismatischen Querschnitt. Derselbe
ist jedoch so
bemessen, daß im Augenblick des Bruches von Zone I
die Beanspruchung in Zone 2 oberhalb der Fließgrenze liegt, eine örtliche Einschnürung
aber noch nicht erfolgt.
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Zone 3 besitzt einen größeren Querschnitt als Zone 2.
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Nach Art der auftretenden Beanspruchungen müssen die Unterzonen 4,
5, 6 und 7 unterschieden werden. Auf Unterzone4, die gleichfalls prismatisch ist,
jedoch einen größeren Querschnitt besitzt als Zone I und 2, wirken reine Zugkräfte.
Unterzone 5 geht kreisbogenförmig in Unterzone 6 über. Auf sie sowie auf die Unterzonen
6 und 7 wirken Zug-und Druckkräfte gleichzeitig ein. Die Breiten der Unterzonen
5 und der Unterzonen 6 und 7 sind so bemessen, daß beim ZerreiBen der Zone I nur
eine teilweise Verformung dieser Zonen stattgefunden hat.
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Der Probestreifen wird an dem stärkeren Ende bei Unterzone 5 in das
Spannwerkzeug 8 einer Zerreißmaschine eingespannt. Statt des bekannten keilförmigen
Widerlagers wird nach der vorliegenden Erfindung das Widerlager durch zwei Rollen
g oder entsprechende Kreissegmente gebildet, so daß beim Angreifen der Zugkraft
die Verformung dieses Teiles des Probestreifens nicht durch die Reibung, die bei
der bisher bekannten keilförmigen Einspannung auftritt, nachteilig beeinflußt wird.
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Der Prüfvorgang verläuft wie folgt: Nachdem das obere Ende des Prüfstreifens
in der geschilderten Weise eingespannt ist, wird der Prüfstab bei 10 in bekannter
Weise in die Zerreiß maschine eingespannt. Hierauf wird die Zerreißmaschine eingeschaltet
und die Zugkraft so lange erhöht, d. h. der Prüfstab so weit gestreckt, bis in Zone
1 der Bruch erfolgt. Diese Bruchlast hat gleichzeitig auf Zone 2 als reine Zuglast
und auf Zone 3 als Zug- und Druckkraft eingewirkt, so daß in diesen Teilen bleibende
maßliche Veränderungen eingetreten sind. Diese Änderungen bilden den Maßstab für
die Beurteilung der Eignung des Werkstoffes für die verschiedenen Verformungsarten.
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Die Zone 1 gibt die üblichen Werte, wie Bruchfestigkeit, Bruchdehnung
usw., an.
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Der Zone2, die infolge ihres größeren Querschnittes nicht bis zur
örtlichen Einschnürung beansprucht wird, sondern sich lediglich unter Beibehaltung
der prismatischen Form auf der ganzen Länge gleichmäßig gereckt hat, entnimmt man
das Formveränderungsvermögen des Werkstoffes unter reiner Zugbeanspruchung, was
durch direkte oder indirekte Feststellung der Dickenänderung bei Bruchbelastung
ermittelt wird.
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Zone 3 wird unter der Einwirkung der Zugkraft so weit verformt, bis
der Formungswiderstand die Bruchlast der Zone 1 überschreitet. Dieser Teil des Probestreifens
verändert sich in Richtung der angreifenden Kraft, die an dieser Stelle als Zug-
und Druckkraft wirkt.
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Die mechanische Prüfung, soweit sie für die Beurteilung des Verhaltens
des Werkstoffes beim sogenannten Einfachzug für die Praxis in Betracht kommt, ist
damit beendet.
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Soll auch das Verhalten beim Mehrfachzug (Restverformungsfähigkeit)
geprüft werden, so spannt man den gleichen Prüfstab bei 12 erneut ein und läßt die
Zerreißmaschine unter Erhöhung der Zugkraft abermals auf den Stab einwirken. Auf
Grund der gewählten Abmessungen wird nunmehr die Zone 3 durch die Verengung, die
die Rollen g bilden, durchgezogen. Hierbei wird Zone 3 im wesentlichen in ganzer
Länge auf eine dem Rollenabstand entsprechende Breite gebracht, wobei sich gleichzeitig
Länge und Dicke ändern.
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Auf Grund der Ausbildung der Zone 3 sind die im Werkstoff auftretenden
maßlichen Veränderungen in den vier Zonen 4, 5, 6 und 7 unterschiedlich. -Beanspruchung
und Formveränderung in Unterzone 4 ähneln der in Zone 2. Unterzone 5 zeigt durch
den zunehmenden Formungswiderstand in Richtung der Unterzone 6 steigende Blechstärken
und Längenzunahme, dagegen sind diese Veränderungen im gesamten Bereich der Unterzone
6 gleich. Die Unterzone 7 steht stark unter dem Einfluß der Randwirkung und des
mit zunehmender Formung kleiner werdenden Querschnitts und damit kleiner werdenden
Verformungswiderstandes. SiezeigtwieUnterzone 5 zunehmende Blechstärke und Längenzunahme.
Das Formungsvermögen des Werkstoffes, hervorgerufen durch Zug- und Druckkräfte,
in der Unterzone 5 bei zunehmendem, in der Unterzone 6 bei gleichbleibendem und
in der Unterzone 7 bei abnehmendem Verformungswiderstand wird gemessen durch Feststellung
der Längen- und Stärkenveränderung. Breitenveränderung in den genannten Unterzonen
tritt nicht auf, da die Breite durch den gleichbleibenden Rollenabstand bestimmt
wird. Das durchgezogene Endstück des Probestabes ist in Abb. 7 dargestellt.
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Es ist bisher üblich, die Verformungsmöglichkeit von Blechen nach
dem Grad der Dehnung, der sich auf der Zerreißmaschine ergibt, zu bemessen. Wennsichz.B.durcheine
- Anzahl von Versuchen herausgestellt hat, daß die Längenzunahme der bis zur Zerreißgrenze
beanspruchten Probestäbe, auf Meßlänge bezogen, durchschnittlich 30°/o beträgt,
so wird das betreffende Blech als mit dem Dehnungsfaktor = 30 ovo ausgestattet in
den Handel gebracht, wobei die Ansicht vorherrscht, daß die
Verformungsmöglichkeit,
z. B. durch Ziehen, mit der Größe des Dehnungsfaktors wächst.
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Die Praxis beweist jedoch oftmals das Gegenteil. Es wurde beobachtet,
daß Bleche mit einem kleinen Dehnungsfaktor sich besser ziehen lassen als solche
mit einem größeren.
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Infolge der genauen Beobachtungsmöglich keiten, die das geschilderte
neue Prüfverfahren bietet, war es möglich, zu grundlegend neuen Erkenntnissen für
die Beurteilung der Ziehfähigkeit von Blechen zu kommen. Es ist bekannt, daß bei
der Ermittlung der Dehnungsfähigkeit auf der Zerreißmaschine der Probestab seinen
meist rechteckigen Querschnitt im Prinzip beibehält, d. h. bei der Längenausdehnung
in Richtung der Zugkraft behält der Probestab seinen prismatischen Querschnitt;
er wird lediglich länger und verliert dadurch gleichzeitig an Breite und Dicke.
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Eine Volumenänderung tritt praktisch nicht ein. Es wurde jedoch im
Rahmen der Erfindung ermittelt, daß bei der Längenzunahme die Breiten- und Dickenabnahme
einander nicht gleich sind. Die Untersuchung einer Reihe weiterer Probestäbe, die
in Form und Abmessungen übereinstimmen, jedoch aus verschiedenen Werkstoffen stammten,
ergab ferner, daß das Verhältnis der Längen-, Breiten- und Dickenänderung zueinander
bei den verschiedenen Werkstoffen gleichfalls verschieden ist. Bei Proben aus Werkstoff
von gleichen Dehnungswerten ergab sich, daß die Dicken- und Breitenänderung unterschiedlich
waren. Mit zunehmendem Verhältnis Breite zu Dicke verliert bei der Verformung die
Breitenänderung mehr und mehr an Bedeutung. Für die Praxis ergibt sich die Folgerung,
daß die Breitenabnahme bei dem neuen Prüfverfahren als kennzeichnende Größe vernachlässigt
werden kann, zumal auch beim Ziehen in der Praxis die Breite stets ein Vielfaches
der Stoffdicke beträgt.
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Dies um so mehr, als bei der Breitenabnahme sich Einflüsse auswirken,
die im Rahmen der Prüfung nicht zahlenmäßig erfaßt werden können, z. B. die Oberflächenspannungen,
die abhängig sind von der Stoffzusammensetzung und der Art der Vorbehandlung. Für
die Beurteilung des praktischen Verformungsvermögens sind vielmehr kennzeichnend
die Werte, die sich aus der Dickenabnahme ergeben. Die Werte werden vorteilhaft
der Zone bzw. der dieser entsprechenden Zone 4, d. h. im Bereich oberhalb der Fließgrenze,
entnommen.
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Die Anwendung des neuen Prüfverfahrens ergibt überraschende Ergebnisse.
Bei der Untersuchung einer Anzahl von verschiedenen Werkstoffen mögen sich z. B.
die nachstehend aufgeführten Werte zeigen:
| 7 : w |
| Längen- Dehnung aus Dehnung aus |
| Werk- zunahme der Breiten- der Dicken- |
| stoff (Dehnung) abnahme abnahme |
| % % q:o |
| A 44,6 I9,6 25 |
| B 25,5 8,4 17,1 |
| C 24 8,6 15,4 |
| D 22 7,9 14,1 |
| E I9,6 14,7 4,9 |
| F I9,4 7,05 I2,3j |
| G I8 5,9 I2.I |
| H 17,8 7 Io,8 |
| 1 17,6 5,45 I2,Ij |
| K I7 4,95 I2,05 |
| L I6 3,2 I2,8 |
| M I4,2 5,4 8,8 |
| N I3 4,5 8,5 |
In Abb. 8 sind die untersuchten Werkstoffe, geordnet nach der Längenzunahme (Dehnung),
graphisch dargestellt. Der Anteil der durch die Breitenabnahme bewirkten Dehnung
ist durch einfache Schraffur und der Anteil der Dehnung durch Dickenahnahme durch
kreuzweise Schraffur dargestellt.
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Abb. g zeigt die gleichen Untersuchungsergebnisse, jedoch geordnet
nach der Dickenabnahme. Da die Dickenabnahme im Verhältnis zur Dehnung des Probestreifens
nach der vorliegenden Erfindung den Maßstab für die Eignung des Werkstoffes für
die Verformung durch Ziehen u. dgl. liefert, zeigt der Vergleich der beiden Darstellungarten
nach Abb. 8 und 9 die Größe des Fehlers, den die Beurteilung nach der Dehnung allein
ergibt.
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Als Beispiel sei der Werkstoff E heraus gegriffen, der auf Grund seiner
Dehnung von I9,60/o nach den bisherigen Untersuchungsverfahren gut durch Ziehen
od. dgl. verformbar sein müßte und infolgedessen in der Darstellung nach Abb. 8
an fünfter Stelle steht, während er in Abb. g erst an letzter Stelle erscheint.
Dies hat sich in der Praxis vollauf bestätigt: dieser Werkstoff zeigte tatsächlich
die schlechtesten Verformungseigenschaften.
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Hingegen zeigt der Werkstoff L mit Rücksicht auf das Verhältnis der
Dickenabnabme zur Dehnung ausgezeichnete Verformungsfähigkeiten und rückt infolgedessen
in der Aufstellung nach Abb. g an die fünfte Stelle.
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Die Beispiele beweisen den großen Fortschritt, den das neue Prüfverfahren
für die Praxis bedeutet. Es wird nicht nur eine sichere Eingruppierung der einzelnen
Werkstoffe nach ihrer Verformungsmöglichkeit durch Ziehen od. dgl. ermöglicht, sondern
auch die Prüfung erheblich vereinfacht. Handelt es sich darum, das Restverformungsvermögen
eines Werkstoffes zu ermitteln, der zuvor eine Stauchdehnung erfahren hat, so wird
die
Zone3 nach dem Durchzug durch die Rolleng auf ihre Dickenänderung
bei einer nachfolgenden Zugbeanspruchung untersucht.
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Die Erfindung ergibt die Möglichkeit, das wenig Mühe und Kosten verursachende,
aber sichere Ergebnisse liefernde neue Prüfverfahren auch tatsächlich in der Praxis
durchzuführen und auf diese Weise Mißerfolge durch Wahl ungeeigneter Werkstoffe
bei der Blechverformung zu vermeiden. Dies ist um so eher möglich, als sich die
Prüfung für die Zwecke der Praxis noch vereinfachen läßt, wie das in Abb. 10 dargestellte
und nachstehend beschriebene Ausführungsbeispiel zeigt. Dieses Ausführungsbeispiel
kommt vor allem für den sogenannten Einfachzug in Betracht.
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Die Abb. 10 zeigt einen vereinfachten Probestab vor Ausführung des
Streckversuches. Zone 13 soll hierbei die gleichen Ergebnisse vermitteln wie die
Zonen I und 2 des in Abb. 5 und 6 dargestellten Probestabes, also zunächst für die
Messung der Dickenabnahme oberhalb der Fließgrenze und bei weiterer Zugbelastung
zur Ermittlung der größten Dehnung bis zur Bruchgrenze dienen.
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Unter der Einwirkung der Zugbelastung wird der verbreiterte Teil des
Probestabes ein Stück durch die Rollen gezogen, und die Zonen 5, 6 und 7, die den
gleichen Zonen an dem in Abb. 5 und 6 dargestellten Probestab entsprechen, ergeben
in der bereits geschilderten Weise einen Maßstab für das Druckverformungsvermögen
bzw. für die Verformung bei gleichzeitig erfolgender Einwirkung von Zug und Druck.
Bei dem Probestab nach Abb. 10 wird die Dickenabnahme durch ein geeignetes Meßgerät,
z. B. eine Meßuhr I4, wie in Abb. II dargestellt, gemessen und ablesbar gemacht.
Die Ausschläge des Meßgerätes lassen sich auch durch eine an sich bekannte Schreib-
und Ubertragungseinrichtung graphisch erfassen.